NAFTA-GAZ, ROK LXX, Nr 7 / 014 Tomasz Siuda Instytut Nafty i Gazu Państwowy Instytut Badawzy Pomiar zużyia gazu płynnego termiznym przepływomierzem masowym i bębnowym gazomierzem mokrym Artykuł prezentuje budowę stanowiska z termiznym przepływomierzem masowym oraz problematykę pomiaru zużyia gazu płynnego termiznym przepływomierzem masowym i bębnowym gazomierzem mokrym na przykładzie badań obiążenia ieplnego palników kuhni gazowej. Porównano również budżet niepewnośi pomiaru zużyia gazu oboma tymi urządzeniami, zwraają uwagę na najistotniejsze elementy wpływająe na jakość wyniku. Słowa kluzowe: budżet niepewnośi, bębnowy gazomierz mokry, termizny przepływomierz masowy, pomiar zużyia gazu. Measuring the onsumption of liquid petroleum gas by using thermal mass flow meter and wet gas meter This paper presents the onstrution of a work-stand with thermal mass flow meter and problems of measuring the onsumption of liquid petroleum gas by using thermal mass flow meter and wet gas meter for testing the heat input of domesti burners. The budget of unertainty of gas onsumption measurement using both of these equipments is ompared, paying attention to the most important elements affeting the quality of results. Key words: budget of unertainty, wet gas meter, thermal mass flow meter, measurement of gas onsumption. Wstęp Najzęśiej stosowaną metodą pomiaru zużyia gazu przez palniki domowej kuhni gazowej jest tehnika opierająa się na wykorzystaniu wzorowanyh bębnowyh gazomierzy mokryh. Norma [4] zakłada, że pomiar obiążenia ieplnego palnika płyty grzejnej wykonuje się przy działająym palniku w następująyh warunkah: garnek wypełniony wodą stawia się nad palnikiem odkrytym, po osiągnięiu przez urządzenie temperatury otozenia zapala się palnik i pozwala, aby działał przez 10 minut, pomiar rozpozyna się w końu dziesiątej minuty i końzy najpóźniej w końu trzynastej minuty lub przed jej upływem, gdy osiągnięta zostanie największa lizba pełnyh obrotów lizydła gazomierza; pomiar powinien być wykonywany przez o najmniej jeden pełny obrót lizydła gazomierza. Wobe powyższego zas pomiaru zużyia gazu gazomierzami różniąymi się między sobą objętośią gazu potrzebną do wykonania pełnego obrotu lizydła będzie inny. W połązeniu z faktem, że badane palniki kuhni gazowej nagrzewają się, powodują zasklepianie dyszy i znazny spadek zużyia gazu przez urządzenie w funkji zasu jego pray (efekt ten jest szzególnie widozny dla palników zasilanyh gazem płynnym, gdyż średnie stosowanyh dysz są tam najmniejsze), uzyskuje się wyniki zależne od stosowanego gazomierza. Ponadto użytkowany w laboratorium bębnowy gazomierz mokry przy przepływie rzędu 30 dm 3 /h nie wykonuje pełnego obrotu lizydła w założonym przez normę 444
artykuły zasie. Wady takiej nie posiada termizny przepływomierz masowy, który podaje wartość hwilowego strumienia zużyia gazu, a sam wynik pomiaru po sprzęgnięiu przepływomierza masowego z komputerem może być w dowolny sposób obrabiany. Z tego powodu zdeydowano się do badań obiążeń ieplnyh palników kuhni gazowyh zasilanyh gazem płynnym zaprojektować i wykonać stanowisko z termiznym przepływomierzem masowym, zapewniająe możliwość pomiaru zużyia gazu płynnego w zakresie 30 110 dm 3 /h. Przedział ten odpowiada najzęśiej stosowanym obiążeniom ieplnym palników w domowyh kuhniah gazowyh zasilanyh tym paliwem. Pomiar przepływu gazomierzem mokrym i przepływomierzem masowym Zasada pomiaru przepływu gazomierzem mokrym polega na odmierzaniu i zlizaniu równyh objętośiowo porji gazu. Lizba tyh porji jest rejestrowana przez spejalny mehanizm liząy. W trakie przepływu przez gazomierz mokry gaz nasya się wilgoią. Stąd ilość suhego gazu, która przepłynęła przez gazomierz, obliza się według równania (1) [6]: V k V mes pa p ps 73,15 1013,5 73,15 t g (1) V objętość suhego gazu przelizona do warunków normalnyh (0 o C; 101,35 kpa) [m 3 ], V mes objętość gazu zmierzona w warunkah pomiaru [m 3 ], p a iśnienie atmosferyzne [mbar], p iśnienie zasilania gazem w punkie pomiaru [mbar], p s iśnienie ząstkowe pary wodnej [mbar] w temperaturze t g, t g temperatura gazu w punkie pomiaru [ C], k poprawka gazomierza [ ]. Rys. 1. Shemat działania zastosowanego przepływomierza masowego firmy Bronkhorst [7] Nafta-Gaz, nr 7/014 445
NAFTA-GAZ Uzyskaną wartość objętośi gazu powyższe równanie sprowadza do warunków normalnyh, tj. do temperatury 0 C i iśnienia 101,35 kpa. Z kolei zasada pomiaru przepływu zastosowanym termiznym przepływomierzem masowym firmy Bronkhorst polega na pomiarze różniy temperatur na elementah grzejnyh R HT1 i R HT, która to różnia jest wprost proporjonalna do przepływu masowego gazu przez zujnik (rysunek 1). Konstrukja urządzenia sprawia, że warunki przepływu w kapilarze (zujniku) i w głównym kanale są porównywalne, o pozwala na założony z góry proporjonalny podział strumienia. W momenie, gdy przez zujnik nie przepływa gaz, w kanale ustala się stan równowagi termiznej i temperatury, a tym samym opornośi rezystorów R HT1 i R HT są takie same. Gdy przez kanał zujnika płynie gaz, temperatura rezystora 1 obniża się w stosunku do temperatury równowagi, zaś temperatura na rezystorze wzrasta w stosunku do temperatury równowagi. Czujniki temperatury R HT1 i R HT włązone są jako ramiona mostka, którego napięie, zależne od temperatur T 1 i T, staje się funkją przepływu masowego gazu przez urządzenie. Wzorowanie przyrządu produent dokonuje zazwyzaj z wykorzystaniem powietrza lub azotu. Wyniki wzorowania (tablia 1) po zastosowaniu współzynnika konwersji pozwalają określać przepływ dla innyh gazów niż powietrze. Współzynnik konwersji C określa się według równania () [3]: C p1 n1 () p n p iepło właśiwe gazu pod stałym iśnieniem [J/(kg K)], ρ n gęstość gazu w warunkah normalnyh [kg/m 3 ], indeks (1) gaz użyty do wzorowania, indeks () gaz, którego przepływ hemy zmierzyć. Produent zalea, aby wartość p użyta do oblizeń współzynnika konwersji była podana dla temperatury o ok. 50 o C wyższej niż temperatura gazu whodząego na przepływomierz. W przypadku zastosowanego termiznego przepływomierza masowego produent przelizył, wykorzystują współzynnik konwersji, harakterystykę napięiową przyrządu z powietrza na zysty butan (tablia 1), zakładają, że jego przepływ będzie się odbywać przy nadiśnieniu 100 mbar i temperaturze gazu 0 o C. Chą oblizyć przepływ zystego propanu w warunkah pomiaru, można skorzystać z równania (3): p z. = p z.b. C z. (3) p z. przepływ zystego propanu w warunkah pomiaru, p z.b. wartość przepływu lizona dla zystego butanu w warunkah: 0 o C i 100 mbar (g), skalowanie: napięie 0 10 V odpowiada przepływowi zystego butanu 0 90 dm 3 /h (warunki normalne), C z. współzynnik konwersji dla zystego propanu względem zystego butanu w warunkah pomiaru: x o C i y mbar (g). Tablia 1. Wyniki wzorowania zastosowanego przepływomierza masowego Użytkownik Kalibraja Gaz butan C 4 H 10 Gaz powietrze Ciśnienie 100 mbar (g) Ciśnienie 0,0 bar (g) Temperatura 0 C Temperatura 4,9 C Przepływ a 1,5 l/min Temperatura w pomieszzeniu 4,9 C Zakres 0 100% Ciśnienie atmosferyzne 1006 hpa Sygnał wyjśiowy Przepływ b 0% 0,0000 l/min 5% 0,374 l/min 50% 0,7515 l/min 75% 1,150 l/min 100% 1,5000 l/min a Przepływ wyrażony w warunkah normalnyh: 0 C, 1013,5 hpa (a) b Przepływ uzyskany na powietrzu jest przelizany na przepływ użytkownika przy pomoy oprogramowania Bronkhorst High-Teh FLUIDAT indeks (a) iśnienie absolutne indeks (g) nadiśnienie 446 Nafta-Gaz, nr 7/014
artykuły W praktye propan dostarzany w butlah może zawierać w swoim składzie również ięższe węglowodory. Stąd utworzona nakładka na program GeniDAQ obliza przepływ gazu płynnego w warunkah pomiaru według równania (4): p w. = p z.b. C (4) p w. przepływ gazu płynnego w warunkah pomiaru, p z.b. wartość przepływu lizona dla zystego butanu w warunkah: 0 o C i 100 mbar (g), skalowanie: napięie 0 10 V odpowiada przepływowi zystego butanu 0 90 dm 3 /h (warunki normalne), C współzynnik konwersji dla gazu płynnego względem zystego butanu w warunkah pomiaru: x o C i y mbar (g). Należy zauważyć, że iepło właśiwe gazu pod stałym iśnieniem p jest funkją temperatury i iśnienia gazu. Po założeniu konta i zalogowaniu się na stronie www.fluidat.om każdy może uzyskać dostęp do darmowego programu FLUIDAT firmy Bronkhorst, zawierająego dane nt. fizyznyh właśiwośi ponad stu gazów. Za pomoą tego oprogramowania wygenerowano dane dotyząe lotnego propanu, m.in. iepło właśiwe przy stałym iśnieniu gazu w zależnośi od temperatury (tablia ) oraz gęstość tego gazu w warunkah normalnyh. Wartośi te wraz z danymi dla innyh składników (tj. etanu, i-butanu, n-butanu, 1-butenu, trans--butenu, is--butenu) harakterystyznyh dla gazu płynnego po zaimplementowaniu w programie GeniDAQ posłużyły do automatyznego oblizania współzynnika konwersji w zależnośi od składu gazu płynnego, który użytkownik może sam wprowadzić, oraz w zależnośi od temperatury i iśnienia gazu w stosowanym termiznym przepływomierzu masowym. W tabliy przedstawiono wielkośi iepła właśiwego pod stałym iśnieniem p dla zystego propanu w zakresie nadiśnienia 0 1 bar oraz temperatury 65 85 o C wygenerowane za pośrednitwem strony www.fluidat.om. Założono, że nadiśnienie gazu ustawiane na przepływomierzu masowym będzie nie większe niż 1 bar. Tablia. Ciepło właśiwe p [J/(kg K)] pod stałym iśnieniem dla propanu [8] 65 C 66 C 67 C 68 C 69 C 70 C 71 C 7 C 73 C 74 C 75 C 76 C 77 C 78 C 79 C 80 C 0 bar (g) 1883 1888 189 1897 1901 1906 1911 1915 190 194 199 1933 1938 1943 1947 195 0,1 bar (g) 1885 1889 1894 1898 1903 1908 191 1917 191 196 1930 1935 1939 1944 1948 1953 0, bar (g) 1886 1891 1895 1900 1904 1909 1913 1918 193 197 193 1936 1941 1945 1950 1954 0,3 bar (g) 1888 189 1897 1901 1906 1910 1915 1919 194 199 1933 1938 194 1947 1951 1956 0,4 bar (g) 1889 1894 1898 1903 1907 191 1916 191 195 1930 1934 1939 1943 1948 1953 1957 0,5 bar (g) 1891 1895 1900 1904 1909 1913 1918 19 197 1931 1936 1940 1945 1949 1954 1958 0,6 bar (g) 189 1897 1901 1906 1910 1915 1919 194 198 1933 1937 194 1946 1951 1955 1960 0,7 bar (g) 1894 1898 1903 1907 191 1916 191 195 1930 1934 1939 1943 1947 195 1956 1961 0,8 bar (g) 1895 1900 1904 1909 1913 1918 19 197 1931 1935 1940 1944 1949 1953 1958 196 0,9 bar (g) 1897 1901 1906 1910 1915 1919 194 198 193 1937 1941 1946 1950 1955 1959 1963 1 bar (g) 1898 1903 1907 191 1916 191 195 199 1934 1938 1943 1947 195 1956 1960 1965 Budowa stanowiska do pomiaru zużyia gazu płynnego za pomoą termiznego przepływomierza masowego Stanowisko do pomiaru zużyia gazu płynnego zawiera: przetwornik sygnałów analogowyh na yfrowe ADAM 4017; przepływomierz masowy firmy Bronkhorst przeznazony do pomiaru ilośi przepływająego gazu płynnego, przepływ zystego butanu w zakresie 0 90 dm 3 /h; przetwornik protokołu komunikayjnego RS 485 na protokół RS 3 (ADAM 450) do komunikaji z komputerem. Opróz tego integralną zęśią stanowiska są: zestaw komputerowy, na którym zainstalowano program GeniDAQ oraz stworzoną nakładkę na ten program do obsługi pomiaru zużyia gazu płynnego; dwa reduktory iśnienia gazu. Wykonane stanowisko zostało przedstawione na rysunku. Urządzenie pomiarowe oraz moduły zostały zabudowane w szafe metalowej z dwoma króćami. Króie wejśiowy umożliwia podłązenie urządzenia do instalaji z gazem płynnym bądź bezpośrednio do butli z gazem płynnym. Króie wyjśiowy służy podłązeniu urządzenia gazowego. Do budowy programu obsługująego pomiar zużyia gazu wykorzystano aplikaję ADVANTECH GeniDAQ. Jest to elastyzne środowisko programistyzne umożliwiająe tworzenie wirtualnyh aplikaji pomiarowyh i sterująyh [1]. Nafta-Gaz, nr 7/014 447
NAFTA-GAZ Rys.. Stanowisko do pomiaru zużyia gazu płynnego Shemat połązeń elektryznyh układu pomiarowego został przedstawiony na rysunku 3. Rys. 3. Shemat połązeń elektryznyh układu pomiarowego Zgodnie z powyższym shematem połązeń elektryznyh sygnał analogowy z przepływomierza poprzez przetwornik sygnałów analogowyh na yfrowe ADAM 4017 oraz przetwornik protokołu komunikayjnego RS 485 na protokół RS 3 do komunikaji z komputerem (przez wejśie COM) ADAM 450 podawany jest do komputera na stworzoną nakładkę programu GENIE. 448 Nafta-Gaz, nr 7/014 Na rysunku 4 przedstawiono główne okno dialogowe programu, które stworzono przy wykorzystaniu dostępnyh obiektów oraz skryptów pisanyh w języku Visual Basi. Na utworzonym panelu głównym (rysunek 4) można wyróżnić trzy obszary: Obszar 1: w momenie startu utworzona aplikaja uruhamia sekwenję okien, do któryh należy wpisać odpowiednio wartośi: temperatury gazu, iśnienia otozenia, iśnienia gazu w przepływomierzu. Wartośi te mogą być modyfikowane w trakie pomiarów po naiśnięiu przyisku Aktualizuj warunki środowiskowe. Temperatura gazu oraz jego iśnienie w przepływomierzu są niezbędne do określenia prawidłowej wartośi współzynnika konwersji, którego wartość jest zależna od rodzaju gazu oraz od podanyh wyżej wielkośi. Obszar : podaje wartość hwilowego rzezywistego obiążenia ieplnego palników domowej kuhni gazowej. Ponadto po naiśnięiu przyisku Rozpoznij pomiar pojawia się okno, w które należy wpisać iśnienie gazu przed urządzeniem pomiarowym w [mbar]. Od tego momentu aplikaja lizy zas i zgodnie z wartośiami zasu wprowadzonymi do pola Mierz przez oraz Mierz od zliza zużyie gazu, wyrażają je w litrah w warunkah normalnyh oraz w litrah przelizonyh do warunków robozyh. Obszar 3: podaje wartośi obiążenia rzezywistego palników kuhni gazowej oraz wartośi strumienia przepływu gazu lizone jako średnia od momentu naiśnięia przyisku Rozpoznij pomiar. Aplikaja prosi również o podanie wartośi iśnienia gazu przed urządzeniem. Wartość przepływu jest wyrażona dla warunków normalnyh i robozyh. Określenie przepływu w warunkah robozyh służy oblizeniu obiążenia skorygowanego palników. Po naiśnięiu przyisku Zatrzymaj wynik wartośi z tabeli dotyząe przepływu i obiążenia są przenoszone do odpowiadająyh im pól po lewej stronie obszaru (rysunek 4). Po naiśnięiu przyisku Dane gaz płynny uzyskujemy dostęp do panelu (rysunek 5), w którym można podać skład gazu płynnego stosowanego w badaniah. Na podstawie składu gazu oraz jego iśnienia i temperatury
artykuły Rys. 4. Widok okna programu panel główny w przepływomierzu jest określana wartość iepła właśiwego mieszaniny, a w dalszej kolejnośi wartość współzynnika konwersji, który pozwala we właśiwy sposób określić zużyie gazu przez palniki kuhni gazowej. Na rysunku 6 przedstawiono shemat blokowy warstwy TASK. Rys. 5. Widok okna programu panel Dane gaz płynny Rys. 6. Shemat blokowy warstwy TASK Nafta-Gaz, nr 7/014 449
NAFTA-GAZ Szaowanie niepewnośi pomiaru jest istotne ze względu na uzyskanie oeny wszystkih zynników mająyh wpływ na końowy wynik pomiaru []. Wyróżniamy następująe typy szaowania niepewnośi: typ A oena poprzez statystyzną analizę wyników serii badań; typ B oena za pomoą innyh dostępnyh informaji: wześniejszyh wyników badań, doświadzenia i znajomośi metody, danyh od produenta aparatury badawzej, danyh z wzorowania lub z ertyfikatów, wartośi referenyjnyh z literatury. Na proedurę określenia niepewnośi pomiaru składają się następująe zynnośi: określenie równania pomiaru; oblizenie niepewnośi standardowyh na podstawie podanyh dokładnośi przyrządów pomiarowyh; oblizenie niepewnośi złożonej. Do szaowania niepewnośi pomiaru zużyia gazu za pomoą bębnowego gazomierza mokrego i termiznego przepływomierza masowego zastosowano typ B szaowania niepewnośi. Dla bębnowego gazomierza mokrego równanie pomiaru można określić wzorem (5): p p p mes a s k 3600 (5) t 1013,5 73,15 tg V Szaowanie niepewnośi pomiaru zużyia gazu bębnowym gazomierzem mokrym i termiznym przepływomierzem masowym 450 Nafta-Gaz, nr 7/014 V 73,15 V strumień objętośi zużywanego gazu [dm 3 /h], V mes objętość gazu zmierzona w warunkah pomiaru [dm 3 ], p a iśnienie atmosferyzne [mbar], p iśnienie zasilania gazem w punkie pomiaru [mbar], Tablia 3. Wyniki wzorowania zastosowanego gazomierza mokrego p s iśnienie ząstkowe pary wodnej [mbar] w temperaturze t g, Strumień Wartość Niepewność Wskazanie Błąd wzorowanego względny objętośi poprawna pomiaru t g temperatura gazu w punkie pomiaru [ C], przyrządu wskazania q p [dm 3 /h] V p [dm 3 ] U [%] t zas pomiaru [s], V s [dm 3 ] e [%] k poprawka gazomierza [ ]. 675,14 50,10 50,16 0,1 0,80 Uzyskaną wartość strumienia gazu powyższe równanie sprowadza do warunków normalnyh gazu, tj. do temperatury 0 C i iśnienia 101,35 kpa. Dla tego pomiaru źródłem niepewnośi są niepewnośi wskazań aparatury użytej w trakie pomiaru: barometru pomiar iśnienia otozenia, przyjęto dokładność ±1 mbar; manometru iezowego pomiar iśnienia gazu w gazomierzu, przyjęto dokładność ±0,1 mbar; termometru pomiar temperatury gazu w gazomierzu, przyjęto dokładność ±0,5 C i wzorowania 0, C; stopera pomiar zasu, przyjęto dokładność 0,4 s. oraz dokładność wskazań samego gazomierza, która wynika m.in. z klasy przyrządu i jego rozdzielzośi. Elementarna działka gazomierza to 0,0 dm 3. W dolnym zakresie pomiarowym świadetwo wzorowania zastosowanego gazomierza podaje względną rozszerzoną na poziomie 1,98 5,7% (tablia 3). W przypadku pomiaru zużyia gazu przepływomierzem masowym źródłem niepewnośi jest sam przyrząd oraz współzynnik konwersji. W tabliy 4 przedstawiono speyfikaję tehnizną zastosowanego przepływomierza. Zgodnie ze speyfikają dokładność urządzenia jest równa ±1% zakresu, zaś powtarzalność wskazań przyrządu mieśi się w 0,% wartośi mierzonej ( standardową pomiaru oblizono jako pierwiastek z sumy kwadratów wielkośi związanej z dokładnośią przyjęto rozkład prostokątny i wielkośi związanej z powtarzalnośią). Gdy gaz zawiera wiele składników, musimy dokładnie poznać jego skład, a oznazania składu gazu przenosi się na jego gęstośi normalnej i iepła właśiwego, a te z kolei na współzynnika konwersji i ałego pomiaru. W tabliy 5 przedstawiono wyniki hromatografiznej analizy składu gazu uzyskane z laboratorium akredytowanego dla stosowanego w pomiarah gazu płynnego, przelizone na sześć głównyh jego składników, wraz z oszaowaną przez laboratorium bezwzględną niepewnośią rozszerzoną. 375,4 50,13 50,3 0,38 0,80 4,50 5,05 5,3 0,7 0,80 75,74 5,06 5,1 0,60 1,98,76 10,06 10,09 0,30 5,7 Tablia 4. Speyfikaja tehnizna zastosowanego przepływomierza masowego Dokładność z uwzględnieniem ±1% zakresu liniowośi Powtarzalność < 0,% wartośi mierzonej
artykuły Tablia 5. Skład gazu płynnego i bezwzględna oznazania zawartośi węglowodorów w badanym gazie płynnym Nr składnika Przelizenie na 6 składników Zawartość [%] obj. zawartośi składnika w gazie U i [%] (k = ) 1 etan 1,09 0,06 propan 89,70 4,40 3 i-butan 5,19 0,7 4 n-butan,94 0,4 5 1-buten 0,36 0,10 6 trans--buten 0,74 0,39 W przypadku tego gazu płynnego odrzuono następująe składniki: tlen, azot (zaniezyszzenia powstałe przy pobieraniu próbki) oraz metan, iso-buten, iso-pentan, n-pentan i CO (niewielki udział w stosunku do pozostałyh składników). Przelizenia dokonano na zasadzie proporjonalnego zwiększenia ilośi każdego wybranego składnika tak, że ałość sumuje się do 100%, według wzoru (6): % i 100 % x i (6) 100 % %x i proent zawartośi i-tego składnika po odrzueniu wybranyh składników [%], % i proent zawartośi i-tego składnika przed odrzueniem wybranyh składników [%], Σ% proent zawartośi odrzuonyh składników [%]. Dla bębnowego gazomierza mokrego bezwzględną standardową złożoną pomiaru strumienia zużywanego gazu przez badane urządzenie gazowe (palniki kuhni gazowej) oblizano z równania (7): V V uv mes ut g Vmes t g u V (7) V V V upa up ut pa p t u V bezwzględna złożona pomiaru strumienia zużywanego gazu bębnowym gazomierzem mokrym, V pohodna ząstkowa z równania (5) po objętośi Vmes gazu V mes, V t g V p a V p pohodna ząstkowa z równania (5) po temperaturze gazu t g, pohodna ząstkowa z równania (5) po iśnieniu otozenia p a, pohodna ząstkowa z równania (5) po iśnieniu gazu p, V pohodna ząstkowa z równania (5) po zasie t pomiaru t, u(v mes ) bezwzględna pomiaru objętośi zużytego gazu V mes, u(t g ) bezwzględna pomiaru temperatury gazu t g, u(p a ) bezwzględna pomiaru iśnienia otozenia p a, u(p) bezwzględna pomiaru iśnienia gazu p, u(t) bezwzględna pomiaru zasu t. Niepewność standardową pomiaru objętośi gazu określono jako pierwiastek z sumy kwadratów niepewnośi standardowej związanej z wzorowaniem gazomierza i niepewnośi standardowej związanej z rozdzielzośią gazomierza (przyjęto rozkład prostokątny). Niepewność standardową pomiaru temperatury gazu określono jako pierwiastek z sumy kwadratów niepewnośi standardowej wzorowania termometru i niepewnośi standardowej związanej z jego dokładnośią (przyjęto rozkład prostokątny). Dla barometru i manometru określono standardową pomiaru na podstawie ih dokładnośi, przyjmują do oblizenia niepewnośi standardowej rozkład prostokątny. Tablia 6. Przykładowe dane do budżetu niepewnośi Wielkość Wartość Jednostka V mes 8,0 dm 3 t g,0 C p a 993 mbar p 37,0 mbar t 300,0 s p s 6, mbar k 0,993 V 87,4 dm 3 /h Nafta-Gaz, nr 7/014 451
NAFTA-GAZ Tablia 7. Budżet niepewnośi pomiaru strumienia objętośi zużytego gazu bębnowym gazomierzem mokrym (zużyie gazu odniesione do warunków normalnyh) złożona złożona Współzynnik wrażliwośi Rozkład prawdopodobieństwa Sposób szaowania niepewnośi Wielkość Symbol Aparatura V U V u Składowe bezwzględnej niepewnośi standardowej złożonej normalny 0,080 dm 3 10,98 0,8700 dm 3 /h świadetwa wzorowania bębnowy Objętość gazu dm 3 V mes gazomierz mokry 0,300 C 0,93 0,0890 dm 3 /h 1. normalny. prostokątny ±0,88 dm 3 /h ±1,8 dm 3 /h 1. świadetwa wzorowania. dokładność Temperatura gazu C t g termometr Ciśnienie otozenia mbar p a barometr dokładność prostokątny 0,580 mbar 0,087 0,0500 dm 3 /h mbar p manometr dokładność prostokątny 0,058 mbar 0,094 0,0054 dm 3 /h Ciśnienie gazu w gazomierzu Czas pomiaru s t stoper inne prostokątny 0,30 s 0,91 0,0670 dm 3 /h W tabliy 7 przedstawiono budżet niepewnośi pomiaru strumienia objętośi suhego gazu za pomoą bębnowego gazomierza mokrego na podstawie przykładowyh danyh z tabliy 6. Jak widać, największy udział w niepewnośi złożonej przy takim zużyiu gazu i zasie pomiaru ma samego gazomierza i jego wzorowania. W przypadku zastosowanego termiznego przepływomierza masowego produent podał harakterystykę napięiową dla zystego butanu. Utworzona nakładka na program Geni- DAQ obliza przepływ gazu płynnego według równania (4). Stąd bezwzględną standardową złożoną pomiaru strumienia zużywanego gazu termiznym przepływomierzem masowym można oblizyć według równania (8): pw. upz. b. pz. b. u pw. (8) p w. u C C u (p w. ) bezwzględna złożona pomiaru strumienia zużywanego gazu termiznym przepływomierzem masowym, p p p C w. z. b. w. pohodna ząstkowa z równania (4) po przepływie zystego butanu, pohodna ząstkowa z równania (4) po współzynniku konwersji, u(p z.b. ) bezwzględna pomiaru strumienia zystego butanu, u(c ) bezwzględna współzynnika konwersji. Dla tego pomiaru stworzony program obliza współzynnik konwersji C według wzoru (9): C pz. b. nz. b. (9) p g. ng. pz.b. iepło właśiwe pod stałym iśnieniem dla zystego butanu w temperaturze 0 C i pod iśnieniem 100 mbar (g) [J/(kg K)], ρ nz.b. gęstość zystego butanu w warunkah normalnyh [kg/m 3 ], p iepło właśiwe pod stałym iśnieniem dla gazu płynnego w warunkah: x o C i y mbar (g), ρ n gęstość gazu płynnego w warunkah normalnyh [kg/ m 3 ]. 45 Nafta-Gaz, nr 7/014
artykuły Czynnik pz.b. ρ nz.b. to wielkość stała, która wynosi 5177,37 J/(m 3 K), stąd równanie (9) można przedstawić za pomoą wzoru (10): C 5177,37 (10) p g. ng. a bezwzględną standardową złożoną współzynnika konwersji C można oblizyć według wzoru (11): u C C pg. C ng. u u pg. ng. (11) u(c ) bezwzględna złożona współzynnika konwersji C, C p g. C g. n g. pohodna ząstkowa z równania (10) po ieple właśiwym pod stałym iśnieniem gazu płynnego p, pohodna ząstkowa z równania (10) po gęstośi w warunkah normalnyh gazu płynnego ρ n, u( p ) bezwzględna iepła właśiwego pod stałym iśnieniem dla gazu płynnego, u(ρ n ) bezwzględna gęstośi gazu płynnego w warunkah normalnyh. Jak wześniej wspomniano, w przypadku pomiaru zużyia gazu przepływomierzem masowym źródłem niepewnośi standardowej pomiaru jest sam przyrząd ( wynikająa z dokładnośi przyrządu i powtarzalnośi jego wskazań) oraz współzynnik konwersji. Gdy stosowany gaz płynny ma w swoim składzie nie tylko zysty propan, współzynnika konwersji zawierać będzie w sobie niepewnośi oznazania składników gazu. W normie [5] zamieszzono wzory do określania niepewnośi oznazania wartośi kaloryznej gazu ziemnego oraz jego gęstośi na podstawie składu gazu. Przez analogię wzory te zastosowano do gazu płynnego w elu wyznazenia bezwzględnej niepewnośi standardowej gęstośi normalnej i iepła właśiwego pod stałym iśnieniem. Stąd bezwzględną standardową oznazania gęstośi normalnej na podstawie składu gazu można oblizyć (tablia 8) według równania (1): 1 n u Qmix u i Qi Qmix (1) i1 u(q mix ) bezwzględna oznazania gęstośi gazu na podstawie jego składu [kg/m 3 ], u(i) bezwzględna zawartośi i-tego składnika w gazie, Q i gęstość i-tego składnika [kg/m 3 ], Q mix gęstość gazu wylizona na podstawie składu gazu [kg/ m 3 ], zaś bezwzględną standardową iepła właśiwego (tablia 9) według równania (13) [5]: 1 n u pmix u i pi pmix (13) i1 u(p mix ) bezwzględna oznazania iepła właśiwego gazu na podstawie jego składu [J/ (kg K)], u(i) bezwzględna zawartośi i-tego składnika w gazie, p i iepło właśiwe i-tego składnika [J/(kg K)], p mix iepło właśiwe wylizone na podstawie składu gazu [J/(kg K)]. W tabliy 10 przedstawiono budżet niepewnośi współzynnika konwersji C gazu płynnego, zaś w tabliy 11 budżet niepewnośi pomiaru strumienia zużyia gazu płynnego termiznym przepływomierzem masowym dla przykładowej wartośi sygnału równej 50% (5 V). Budżet niepewnośi pomiaru zużyia gazu płynnego za pomoą zastosowanego przepływomierza masowego wskazuje, że największą pomiarową wnosi sam przyrząd, zaś wkład niepewnośi związanej z iepłem właśiwym i gęstośią gazu jest mniejszy. W elu określenia niepewnośi rozszerzonej współzynnika konwersji (wpływ temperatury i iśnienia gazu na iepło właśiwe gazu) związanej z dokładnośią pomiaru temperatury oraz iśnienia gazu na przepływomierzu posłużono się oprogramowaniem dostępnym na stronie www.fluidat. om, wprowadzają składniki gazu płynnego. Zastosowany manometr mierząy nadiśnienie gazu przed przepływomierzem podaje jego wartość z dokładnośią do 50 mbar. Stąd pomiaru iśnienia tym manometrem wynosi 8,9 mbar, zaś 57,8 mbar. Takie wartośi rzutują na względną zmianę współzynnika konwersji o ±0,05%. Pomiar temperatury gazu jest realizowany z niepewnośią rozszerzoną ±0,6 C. Taka wartość rzutuje na względną zmianę współzynnika konwersji o ±0,%. W tabliy 1 zestawiono względne niepewnośi rozszerzone pomiaru strumienia zużywanego gazu bębnowym gazomierzem mokrym i termiznym przepływomierzem masowym w zadanym zakresie przepływu, tj. 0 100 dm 3 /h (warunki normalne). Nafta-Gaz, nr 7/014 453
NAFTA-GAZ Tablia 8. Wyznazanie bezwzględnej niepewnośi standardowej gęstośi normalnej gazu płynnego ρ n na podstawie jego składu (0 C, 101,35 kpa) L Przelizenie na 6 składników Zawartość [%] obj. zawartośi składnika w gazie U(i) [%] ρ ni [kg/m 3 ] ułamka molowego składnika w gazie u(i) [u(i) (ρ ni ρ n )] u(ρ n ) [kg/m 3 ] u(ρ n ) [kg/m 3 ] 1 etan 1,09 0,06 1,355 0,00030 0,000000046 propan 89,70 4,40,01 0,000 0,000001400 3 i-butan 5,19 0,7,693 0,00140 0,00000070 4 n-butan,94 0,4,705 0,0010 0,000000590 ±0,0019 ±0,0038 5 1-buten 0,36 0,10,581 0,00050 0,000000066 6 trans--buten 0,74 0,39,503 0,0000 0,00000070 ρ n,0666 ±0,0038 kg/m 3 Tablia 9. Wyznazanie bezwzględnej niepewnośi standardowej iepła właśiwego gazu płynnego p na podstawie jego składu (7 C, 00 mbar (g)) L Przelizenie na 6 składników Zawartość [%] mas. zawartośi składnika w gazie U(i) [%] (k = ) pi [J/(kg K)] 7 C, 00 mbar (g) ułamka masowego składnika w gazie u(i) [u(i) ( pi p )] u( p ) [J/(kg K)] u( p ) [J/(kg K)] 1 etan 0,75 0,040 1791 0,00040 0,0050 propan 87,500 4,00 1918 0,0100 0,0060 3 i-butan 6,670 0,340 193 0,00170 0,00016 4 n-butan 3,780 0,300 195 0,00150 0,0000 ±0,36 ±0,73 5 1-buten 0,450 0,110 1747 0,00057 0,00930 6 trans--buten 0,90 0,480 177 0,0040 0,1000 p 1915,57 ±0,73 J/(kg K) Wielkośi w tabliy 1 wygenerowano w programie Exel na podstawie utworzonego budżetu niepewnośi na zasadzie wpisania (potrzebnyh do uzyskania określonego strumienia przepływu) odpowiednih danyh. Dla bębnowego gazomierza mokrego wpisywano następująy zestaw danyh: objętość zużytego gazu (założono stałą wartość równą dm 3 ), zas pomiaru (zmieniano, by uzyskać różne wartośi strumienia gazu), temperaturę gazu (założono stałą wartość), iśnienie gazu w gazomierzu (założono stałą wartość), iśnienie otozenia (założono stałą wartość). W przypadku termiznego przepływomierza masowego jako informaję wejśiową wpisywano wielkość napięia, które pojawia się w momenie przepływu gazu przez termizny przepływomierz masowy. 454 Nafta-Gaz, nr 7/014
artykuły Tablia 10. Budżet niepewnośi wyznazania współzynnika konwersji C gazu płynnego Wielkość Współzynnik wrażliwośi Składowe bezwzględnej niepewnośi standardowej [ ] złożona współzynnika konwersji u (C ) [ ] złożona współzynnika konwersji U (C ) [ ] Względna złożona współzynnika konwersji [%] ρ n 0,0038 kg/m 3 0,0019 kg/m 3 0,63000 0,0010 p 0,73 J/(kg K) 0,36 J/(kg K) 0,00068 0,0005 ±0,001 ±0,004 ±0,19 C 1,3078 ±0,004 [ ] ±0,19 % Tablia 11. Budżet niepewnośi pomiaru strumienia zużyia gazu płynnego za pomoą przepływomierza masowego dla poziomu napięia 50% (5 V) strumień zużyia gazu odniesiony do warunków normalnyh Wielkość Symbol Aparatura Sposób szaowania niepewnośi Rozkład prawdopodobieństwa Współzynnik wrażliwośi Składowe bezwzględnej niepewnośi standardowej złożonej złożona strumienia przepływu gazu płynnego u (p w. ) złożona strumienia przepływu gazu płynnego U (p w. ) Strumień objętośi zystego butanu Współzynnik konwersji termizny dm 3 /h p z.b. przepływomierz masowy 1. powtarzalność przyrządu. dokładność przyrządu 1. normalny. prostokątny ±0,6900 dm 3 /h 1,3078 0,900 dm 3 /h C złożona ±0,001 45,00 0,055 dm 3 /h ±0,90 dm 3 /h ±1,81 dm 3 /h Tablia 1. Porównanie względnej niepewnośi rozszerzonej gazomierza mokrego i przepływomierza w zakresie rozpatrywanego przepływu (przepływ wyrażony w warunkah normalnyh) Bębnowy gazomierz mokry Przepływ [dm 3 /h] 100,84 79,0 60, 40,57 30,03 Względna [%],41,37 5,86 5,85 5,84 Termizny przepływomierz masowy Przepływ [dm 3 /h] 100,7 79,14 60,30 40,55 30,08 Względna [%] 1,85,31 3,00 4,4 5,94 Nafta-Gaz, nr 7/014 455
NAFTA-GAZ Podsumowanie Zastosowany termizny przepływomierz masowy w rozpatrywanym zakresie przepływu (tablia 1) osiąga podobne wartośi względnej rozszerzonej niepewnośi pomiarowej o użytkowany w laboratorium gazomierz. Jeśli hodzi o speyfikę pomiarów (pomiar obiążenia ieplnego palników kuhni gazowej zgodnie z normą [4]) prowadzonyh w laboratorium, termizny przepływomierz masowy w porównaniu do gazomierza mokrego pozwala określać wielkość strumienia zużywanego gazu płynnego dla stałej wartośi zasu pomiaru, bez względu na obiążenie ieplne palnika, eliminują zmienną zasową związaną z wyborem momentu przerwania pomiaru (długość zasu jego trwania ze względu na zasklepianie się dyszy gazowej wpływa na końową wartość strumienia zużywanego gazu). Inną zaletę przepływomierza masowego w porównaniu do stosowanego w laboratorium bębnowego gazomierza mokrego po uwzględnieniu założeń normy [4] stanowi fakt, że dla przepływów rzędu 30 dm 3 /h gazomierz nie wykona wymaganego w założonym przez normę zasie pomiaru pełnego obrotu lizydła. Kolejną zaletą jest możliwość przyspieszenia pomiarów jakośi spalin emitowanyh z palników kuhni gazowej, które zgodnie z normą należy wykonać przy określonej wartośi obiążenia ieplnego palnika możliwość hwilowego odzytu tej wartośi ze wskazań przepływomierza masowego. Jednak wadą przepływomierza masowego w porównaniu do bębnowego gazomierza mokrego jest koniezność oznazenia składu gazu, którego przepływ mierzymy. Prosimy ytować jako: Nafta-Gaz 014, nr 7, s. 444 456 Artykuł powstał na podstawie pray statutowej pt. Modernizaja mieszalni gazów pod kątem pomiarów zużyia gazów płynnyh praa INiG na zleenie MNiSW; nr zleenia: 75/0015/GU/1, nr arhiwalny: DK-4100/15/013-01. Literatura [1] Advanteh GeniDAQ User s Manual; www.interworldna.om/ images/advan/genidaq.pdf (dostęp: maj 013). [] Burnus Z.: Problematyka walidaji metod badan w przemysle naftowym na przykladzie benzyn silnikowyh. Nafta-Gaz 013, nr, s. 143 15. [3] General instrution digital Mass Flow / Pressure instruments laboratory style / IN-FLOW. Instrution manual. Bronkhorst High-Teh B.V. [4] PN-EN 30-1-1 Domowe urzadzenia do gotowania i piezenia spalajae paliwa gazowe. Czes 1-1: Bezpiezenstwo Postanowienia ogolne. [5] PN-EN ISO 6976:008 Gaz ziemny Oblizanie wartosi kaloryznyh, gestosi, gestosi wzglednej i lizby Wobbego na podstawie skladu. [6] Wojtowiz R.: Oena gazu graniznego G1 pod katem jego przydatnosi do okreslania jakosi spalania gazow ziemnyh wysokometanowyh pohodzayh z regazyfikaji LNG w urzadzeniah uzytku domowego. Nafta-Gaz 013, nr 8, s. 599 61. [7] www.bronkhorst.om (dostęp: lipie 013). [8] www.fluidat.om (dostęp: sierpień 013). Mgr inż. Tomasz SIUDA Spejalista inżynieryjno-tehnizny w Zakładzie Użytkowania Paliw. Instytut Nafty i Gazu Państwowy Instytut Badawzy ul. Lubiz 5A 31-503 Kraków E-mail: siuda@inipl 456 Nafta-Gaz, nr 7/014